JP2021131355A

JP2021131355A - 電流センサ

Info

Publication number: JP2021131355A
Application number: JP2020027977A
Authority: JP
Inventors: 洋貴杉山; Hiroki Sugiyama; ちひろ大野; Chihiro Ono
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2020-02-21
Filing date: 2020-02-21
Publication date: 2021-09-09

Abstract

【課題】磁性体コアを用いることなく、単純な構成で、電流の検出感度を上げる電流センサを提供する。【解決手段】導体ＢＢを流れる電流を測定する電流センサ１００は、第１のコイル１１０と直列に接続された第２のコイル１２０を有し、第２のコイルの近傍または内部に配置される磁界検出素子１３０と、を有し、第１のコイルは、前記導体の近傍に配置する。【選択図】図１

Description

本発明は、電流センサに関する。

導体を流れる電流を測定する電流センサとして、ホール式電流センサが知られている。ホール式電流センサでは、導体を流れる電流が発生する磁場をホール素子により検出することで、導体を流れる電流の測定を行っている。その際、測定感度を上げるために、図２に示すように、導体を囲むように磁性体コアを配置し、ホール素子は、この磁性体コアにより増大された磁束を検出するようにしている。

ホール式電流センサは、磁性体コアを用いているため、磁性体コアのヒステリシスの影響を受ける。例えば、作動中に定格値を大きく上回る過電流が導体に生じると、磁性性コアの残留磁束によって検出精度に影響が生じる。そこで、例えば、特許文献１には、磁性体コアのヒステリシスの影響を解消するために、磁性体コアの残留磁束を消去する技術が開示されている。

特許６２００４４５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、磁性体コアの残留磁束を消去するために、磁性体コアにコイルを巻き、この巻かれたコイルに交流電流を印加している。このため、特許文献１に開示された方法では、電流センサの構成が複雑であり、また、消費電力が大きくなる。

一方、磁性体コアを用いない電流センサとして、ロゴスキーコイル電流センサがある。ロゴスキーコイル電流センサは、図３に示すように、導体の周囲に配置された空芯のコイル（ロゴスキーコイル）に導体を流れる電流によって誘起された電圧を測定することで、導体を流れる電流の測定を行っている。ロゴスキーコイル電流センサは、単純な構成であり、また、磁性体コアを使用していないため、磁性体コアのヒステリシスの影響はない。しかしながら、ロゴスキーコイル電流センサは、磁性体コアを使用していないため、電流の検出感度が低い。

そこで、本発明は、磁性体コアを用いることなく、単純な構成で、電流の検出感度を上げることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の電流センサは、導体を流れる電流を測定する電流センサであって、第１のコイルと第２のコイルを含む回路と、前記第２のコイルの近傍または内部に配置される磁界検出素子と、を有し、前記第１のコイルは、前記導体の近傍に配置される。前記回路の抵抗値に比べ、前記第１のコイルのリアクタンスの大きさおよび第２のコイルのリアクタンスの大きさが無視できるようにしても良い。

また、本発明の電流測定方法は、導体を流れる電流を測定する電流測定方法であって、第１のコイルと第２のコイルを含む回路のうちの前記第１のコイルを前記導体の近傍に配置するステップと、磁界検出素子により前記第２のコイルの近傍または内部の磁場を測定するステップと、を有する。

本発明によれば、磁性体コアを用いることなく、単純な構成で、電流の検出感度を上げることが可能になる。

本発明の一実施形態に係る電流センサ１００を示す図である。ホール式電流センサの例を示す図である。ロゴスキーコイル電流センサの例を示す図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る電流センサ１００を示す図である。電流センサ１００は、第１のコイル１１０と、第２のコイル１２０と、磁界検出素子１３０と、を有している。

第１のコイル１１０は、被測定導体であるバスバーＢＢの近傍に配置される。図１では、被測定導体の一例として、バスバーを記載しているが、被測定導体は、バスバーとは限らない。

第２のコイル１２０は、第１のコイル１１０に接続され、閉回路である回路Ｃを形成している。つまり、回路Ｃは、２つのコイル（第１のコイル１１０、第２のコイル１２０）により構成される閉回路となる。

磁界検出素子１３０は、第２のコイルの近傍または内部に配置される。

バスバーＢＢに電流Ｉ_Ｂが流れると、バスバーＢＢの周辺に磁場Ｈ_Ｂが発生する。第１のコイル１１０は、バスバーＢＢの近傍に、つまり、この磁場Ｈ_Ｂの影響を受ける位置に配置される。バスバーＢＢに時間変動する電流Ｉ_Ｂが流れている場合、電流Ｉ_Ｂの時間変動に応じて、磁場Ｈ_Ｂも時間変動し、第１のコイル１１０を貫く磁束Φ_Ｂも時間変動する。結果、第１のコイル１１０には、電流ＩＢの時間変動による起電力Ｖ_Ｂ＝−Ｎ_１ｄΦ_Ｂ／ｄｔが発生し、この起電力Ｖ_Ｂにより回路Ｃに電流Ｉ_Ｃが発生する。ここで、Ｎ_１は、第１のコイル１１０の巻き数である。

一方、第２のコイル１２０は、バスバーＢＢから離れた位置、つまり、磁場Ｈ_Ｂの影響が無い位置に配置される。このため、第２のコイル１２０近傍または内部には、磁場Ｈ_Ｂはほぼ存在しないが、回路Ｃを流れる電流Ｉ_Ｃによる磁場Ｈ_２が発生する。そこで、磁界検出素子１３０は、第２のコイル１２０の近傍または内部、つまり、磁場Ｈ_２の影響を受ける位置に配置され、磁場Ｈ_２を測定する。

回路Ｃを流れる電流Ｉ_Ｃが時間変動する場合、電流Ｉ_Ｃの時間変動に応じて、第２のコイル１２０で発生する磁場Ｈ_２も時間変動し、第２のコイル１２０を貫く磁束Φ_２も時間変動する。結果、第２のコイル１２０には電流Ｉ_Ｃの時間変動による起電力Ｖ_２＝−Ｌ_２ｄＩ_Ｃ／ｄｔが発生する。ここで、Ｌ_２は、第２のコイル１２０の自己インダクタンスである。同様に、第１のコイル１１０には、この回路Ｃを流れる電流Ｉ_Ｃによる磁場Ｈ_１が発生する。このとき、第１のコイル１１０にも電流Ｉ_Ｃの時間変動による起電力Ｖ_１＝−Ｌ_１ｄＩ_Ｃ／ｄｔが発生する。ここで、Ｌ_１は、第１のコイル１１０の自己インダクタンスである。

回路Ｃの抵抗値をＲとすると、回路Ｃに対して、Ｖ_Ｂ＋Ｖ_１＋Ｖ_２＝Ｉ_ＣＲが成り立つため、次の微分方程式が成り立つ。

ここで、バスバーＢＢに流れる電流Ｉ_Ｂが角周波数ω、振幅Ｉ_Ｂ０の交流電流Ｉ_Ｂ＝Ｉ_Ｂ０ｃｏｓωｔである場合、この電流Ｉ_Ｂにより発生する磁束Φ_Ｂは、電流Ｉ_Ｂと同じ位相で振動する磁束Φ_Ｂ＝Φ_Ｂ０ｃｏｓωｔとなる。ここで、Φ_Ｂ０は、磁束Φ_Ｂの振幅である。

よって、上記の微分方程式（１）は、下記のようになる。

上記の微分方程式（２）を解くと、回路Ｃを流れる電流Ｉ_Ｃが次のように求まる。

ここで、Ａは、初期条件により決まる定数である。上記の式（３）の右辺の第２項は、十分な時間経過するとゼロに限りなく近付く。よって、十分な時間経った後、回路Ｃに流れる電流Ｉ_Ｃは、バスバーＢＢを流れる電流Ｉ_Ｂ＝Ｉ_Ｂ０ｃｏｓωｔ＝Ｉ_Ｂ０ｓｉｎ（ωｔ＋π／２）より位相がδ＋π／２だけ遅れた交流電流となる。

よって、十分な時間経過した後、回路Ｃを流れる電流Ｉ_Ｃによって第２のコイル１２０内に発生する磁場Ｈ_２は、次のようになる。

ここで、ｒ_２は、第２のコイル１２０の半径である。

第１のコイル１１０の半径をｒ_１とし、第１のコイル１１０のコイル面と磁束Φ_Ｂの向きとの成す角をθ_１とし、第１のコイル１１０内で磁場Ｈ_Ｂがほぼ一定であるとすると、第１のコイル１１０を貫く磁束Φ_Ｂと電流Ｉ_Ｂによる第１のコイル１１０内の磁場Ｈ_Ｂとの間には、関係Φ_Ｂ＝μπｒ_１ ^２sinθ_１Ｈ_Ｂが成り立つので、上記の式（４）は、次のようになる。

ここで、μは、第１のコイル１１０内での透磁率であり、Ｈ_Ｂ０は、磁場Ｈ_Ｂの振幅である。

上記の式（５）のように、第２のコイル１２０に発生する磁場Ｈ_２の振幅は、バスバーＢＢを流れる電流Ｉ_Ｂにより発生する磁場Ｈ_Ｂの振幅Ｈ_Ｂ０に比例する。第１のコイル１１０の自己インダクタンスＬ_１は、第１のコイル１１０の巻き数Ｎ_１、半径ｒ_１に依存し、第２のコイル１２０の自己インダクタンスＬ２は、第２のコイル１２０の巻き数Ｎ_２、半径ｒ_２に依存する。よって、本実施形態では、第１のコイル１１０の巻き数Ｎ_１、半径ｒ_１、第２のコイル１２０の巻き数Ｎ_２、半径ｒ_２を調整することにより、第２のコイル１２０内に発生する磁場Ｈ_２を、バスバーＢＢを流れる電流Ｉ_Ｂが発生する磁場Ｈ_Ｂに比べて、大きくすることや、小さくすることが可能になる。

例えば、磁場Ｈ_２を磁場Ｈ_Ｂに比べて大きくなるように、第１のコイル１１０の巻き数Ｎ_１、半径ｒ_１、第２のコイル１２０の巻き数Ｎ_２、半径ｒ_２を調整することで、磁場Ｈ_Ｂを直接測定するよりも、磁場Ｈ_２を測定した方が感度良く測定することが可能になる。つまり、本実施形態では、磁場Ｈ_２を磁場Ｈ_Ｂに比べて大きくなるように、第１のコイル１１０の巻き数Ｎ_１、半径ｒ_１、第２のコイル１２０の巻き数Ｎ_２、半径ｒ_２を調整することで、磁場Ｈ_Ｂを直接測定することで、単純な構成で、被測定導体を流れる電流の検出感度を上げることが可能である。

特に、第１のコイル１１０、第２のコイル１２０のリアクタンスの大きさが、回路Ｃの抵抗値Ｒに比べて無視できる場合（Ｒ＞＞ωＬ_１、ωＬ_２の場合）、

であるので、上記の式（５）は、次のようになる。

よって、この場合、第１のコイル１１０の巻き数Ｎ_１、半径ｒ_１や第２のコイル１２０の巻き数Ｎ_２を大きくすることや、第２のコイル１２０の半径ｒ_２を小さくすることで、磁場Ｈ_２が磁場Ｈ_Ｂに比べて大きくなり、磁性体コアを用いることなく、単純な構成で、被測定導体を流れる電流の検出感度を上げることが可能である。

また、例えば、磁場Ｈ_２を磁場Ｈ_Ｂに比べて小さくなるように、第１のコイル１１０の巻き数Ｎ_１、半径ｒ_１、第２のコイル１２０の巻き数Ｎ_２、半径ｒ_２を調整することで、磁場Ｈ_Ｂを直接測定するよりも、磁場Ｈ_２を測定した方が計測範囲を広がる。つまり、本実施形態では、磁場Ｈ_２を磁場Ｈ_Ｂに比べて小さくなるように、第１のコイル１１０の巻き数Ｎ_１、半径ｒ_１、第２のコイル１２０の巻き数Ｎ_２、半径ｒ_２を調整することで、計測範囲を広げることが可能になる。

特に、第１のコイル１１０、第２のコイル１２０のリアクタンスの大きさが、回路Ｃの抵抗Ｒに比べて無視できる場合（Ｒ＞＞ωＬ_１、ωＬ_２の場合）、磁場Ｈ_２の振幅と磁場Ｈ_Ｂの振幅Ｈ_Ｂ０の間の関係は、上記の式（６）のようになるので、第１のコイル１１０の巻き数Ｎ_１、半径ｒ_１や第２のコイル１２０の巻き数Ｎ_２を小さくすることや、第２のコイル１２０の半径ｒ_２を大きくすることで、磁場Ｈ_２が磁場Ｈ_Ｂに比べて小さくなり、計測範囲を広げることが可能になる。

以上、本発明の好適な実施の形態により本発明を説明した。ここでは特定の具体例を示して本発明を説明したが、特許請求の範囲に記載した本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、これら具体例に様々な修正および変更が可能である。

１００電流センサ
１１０第１のコイル
１２０第２のコイル
１３０磁界検出素子

Claims

導体を流れる電流を測定する電流センサであって、
第１のコイルと第２のコイルを含む回路と、
前記第２のコイルの近傍または内部に配置される磁界検出素子と、を有し、
前記第１のコイルは、前記導体の近傍に配置される、電流センサ。
前記回路の抵抗値に比べ、前記第１のコイルのリアクタンスの大きさおよび前記第２のコイルのリアクタンスの大きさが無視できる、請求項１の記載の電流センサ。
導体を流れる電流を測定する電流測定方法であって、
第１のコイルと第２のコイルを含む回路のうちの前記第１のコイルを前記導体の近傍に配置するステップと、
磁界検出素子により前記第２のコイルの近傍または内部の磁場を測定するステップと、を有する、電流測定方法。